為了適應(yīng)各種生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的需要，對生物反應(yīng)器的性能要求愈來愈高，目前主要表現(xiàn)為：

• 用于基因工程高密度高表達(dá)，符合GMP標(biāo)準(zhǔn)的生物反應(yīng)器，涉及供氧、快速升溫、排氣處理、取樣處理等系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
• 哺乳類動物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)是當(dāng)前生產(chǎn)高附加值的糖基化活性蛋白醫(yī)藥產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢。根據(jù)動物細(xì)胞無細(xì)胞壁、對剪切極端敏感，所以反應(yīng)器設(shè)計(jì)要具備低剪切效應(yīng)、混合性能好等特點(diǎn)，提供細(xì)胞形態(tài)在線觀察和活細(xì)胞數(shù)量的傳感技術(shù)，嚴(yán)格控制反應(yīng)器的操作條件以及有關(guān)防污染的灌注系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)等設(shè)計(jì)要符合GMP標(biāo)準(zhǔn)。
• 對于傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品，通過對產(chǎn)品進(jìn)行過程優(yōu)化研究，達(dá)到高生產(chǎn)水平或質(zhì)量，因而對反應(yīng)器設(shè)計(jì)提出了新的要求。用于細(xì)胞過程生理特性和過程傳遞特性研究的生物反應(yīng)器研制，其中主要解決用于過程分析的各種傳感器選型與研制和數(shù)據(jù)處理軟件包的研制。
• 隨著生物技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，用于海洋藻類、微生物肥料、微生態(tài)飼料、環(huán)境污染處理等大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)需要高強(qiáng)度低造價(jià)的生物反應(yīng)器。特別是近年來利用生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇等能源物質(zhì)的戰(zhàn)略部署，需要應(yīng)用大型高效節(jié)能生物反應(yīng)器降低生產(chǎn)成本。

具有先進(jìn)的生物過程優(yōu)化和放大能力是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。由于在生物反應(yīng)器中所發(fā)生的反應(yīng)是在分子水平的遺傳特性、細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)和反應(yīng)器工程水平的混和傳遞等多尺度（水平）上發(fā)生的。因此，如何利用生物反應(yīng)器中的多參數(shù)檢測技術(shù)和在線計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，把細(xì)胞在反應(yīng)器中各種表型數(shù)據(jù)與代謝調(diào)控有關(guān)的基因結(jié)構(gòu)研究關(guān)聯(lián)起來，是反應(yīng)器過程優(yōu)化與放大的重要內(nèi)容，這也是我們多年工作的重點(diǎn)，并取得多項(xiàng)重大成果。

近年來許多有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)迫切需要建立一個(gè)多功能的中試發(fā)酵車間，以滿足多種需要，諸如：對已經(jīng)通過前期研究的產(chǎn)品進(jìn)行過程優(yōu)化研究、在中試規(guī)模上達(dá)到高生產(chǎn)水平或質(zhì)量并為車間生產(chǎn)提供工藝放大依據(jù)和設(shè)備設(shè)計(jì)依據(jù)、進(jìn)行小批量生產(chǎn)以提供應(yīng)用試驗(yàn)的樣品及供市場銷售部分產(chǎn)品。隨著以“多尺度”觀點(diǎn)的發(fā)酵研究技術(shù)的發(fā)展，中試車間的有關(guān)裝備的軟硬件技術(shù)和研究方法以上述內(nèi)容為核心進(jìn)行建設(shè)，以便有效地解決發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大問題?？紤]到裝置系統(tǒng)的通用性以及為生產(chǎn)用罐的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)，其中一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如攪拌功率及攪拌槳型式、發(fā)酵熱及高效傳熱裝置設(shè)計(jì)、通氣流量設(shè)計(jì)等必需有足夠的調(diào)節(jié)余量或選擇。此外，參數(shù)檢測必需配置較完整傳感器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為今后的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大設(shè)計(jì)提供重要的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

在中試及生產(chǎn)系統(tǒng)中，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是生物反應(yīng)器群控技術(shù)的過程控制與數(shù)據(jù)處理，這不是通常意義的下位計(jì)算機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的。因此，如何根據(jù)不同情況選用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就成為一個(gè)重要問題。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中可以選用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有單片計(jì)算機(jī)、PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)等，其中現(xiàn)場總線系統(tǒng)與大容量計(jì)算機(jī)相結(jié)合可以很好地適應(yīng)發(fā)酵中試系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理要求?？梢圆捎脤⒅悄芮度胧接?jì)算機(jī)系列的智能模塊技術(shù)、高性能網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、綜合自動化控制技術(shù)與生物反應(yīng)控制有機(jī)結(jié)合。設(shè)計(jì)成每個(gè)罐使用一塊現(xiàn)場總線模塊獨(dú)立控制，各個(gè)罐相互獨(dú)立，用分散的虛擬控制站取代了集中的控制站，增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)多個(gè)罐的控制回路用以太網(wǎng)連到一個(gè)IPC組成的操作站，組成小型的局域網(wǎng)。采用常規(guī)控制系統(tǒng)軟件包對所有發(fā)酵罐進(jìn)行控制，具有高安全性和連續(xù)操作減少日常維護(hù)的特點(diǎn)。又以上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的集中顯示系統(tǒng)，具有貯存量大、數(shù)據(jù)處理使用方便和直觀的人機(jī)界面特點(diǎn)。

幾十年來隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程趨向設(shè)備大型化、高效和自動化。以傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品來說，一些氨基酸、抗生素或發(fā)酵輕化工產(chǎn)品都在幾十到幾百M(fèi)3以上發(fā)展，一些原來是小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍要求放大?；蚬こ坍a(chǎn)品一般附加值高，不需要大型生物反應(yīng)器，但近年來隨著基因工程酶生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于飼料添加劑的需求量大，用于基因工程高密度高表達(dá)的大型生物反應(yīng)器研制已勢在必行。特別是今后隨著礦物質(zhì)能源的耗竭，利用生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇等已提到重要戰(zhàn)略議事日程，高效節(jié)能的大型發(fā)酵裝置的應(yīng)用是降低生產(chǎn)成本的不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。

大型裝置的利用也帶來新的技術(shù)問題。目前國內(nèi)發(fā)酵過程工業(yè)放大主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)放大，例如單位體積功率相等、單位體積通氣比相同或選用相同的攪拌槳型式等，實(shí)際情況很難把握。后來又引進(jìn)了化學(xué)工程的冷態(tài)試驗(yàn)方法，對罐內(nèi)流型進(jìn)行了充分研究，最后根據(jù)這些混和傳遞特點(diǎn)，進(jìn)行大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)，但實(shí)際情況有時(shí)偏差也很大。

發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時(shí)不可能同時(shí)做到幾何相似、流體運(yùn)動學(xué)相似和流體動力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個(gè)因素恰恰在放大時(shí)成為關(guān)鍵因子時(shí)，就會造成整個(gè)發(fā)酵過程的失敗。為此，我們在發(fā)酵過程放大研究時(shí)，提出了在以代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行研究，由此可得到用于過程放大的狀態(tài)參數(shù)或生理參數(shù)，在放大的設(shè)備上得到相同的反映代謝流等生理數(shù)據(jù)變化曲線，就可以較好地克服上述放大過程中的問題。根據(jù)以上生理代謝參數(shù)相似的放大原則，需獲得大型發(fā)酵罐的幾何結(jié)構(gòu)和動力結(jié)構(gòu)等可設(shè)計(jì)參數(shù)，在放大規(guī)模的狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為操作或設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)有一個(gè)研究過程，需要在積累性的工作基礎(chǔ)上提升到理論和方法。例如根據(jù)OUR、KLa以及所選用的攪拌槳特性測算不同發(fā)酵罐規(guī)模所需的攪拌功率研究，根據(jù)OUR與菌體細(xì)胞剪切適應(yīng)量選擇不同規(guī)模發(fā)酵罐的攪拌器形式、轉(zhuǎn)速及其他結(jié)構(gòu)的研究、攪拌器的混和與剪切特性的冷態(tài)研究，計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用研究等。

上述工作對生物過程裝備（反應(yīng)器）設(shè)計(jì)、放大及生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何符合實(shí)際需要，并有效、快速的將實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，起了積極保證的作用，也獲得了成功的應(yīng)用。